海洋输送的热能和水汽在中纬度（左）和极地区域（右）的不同效应
冰盖融水对经向翻转流影响机制 (a)冰盖融水层规模小，向极地输运的海水温度降低至4℃时，发生下沉，产生经向翻转流（箭头指示垂向环流流向）；(b)冰盖融水层占据垂向环流水体下沉区，向极地输运的海水不能到达下沉位置，经向翻转流被遏制。（海水等温线数字单位为℃）
因此，海洋的热能和水汽输往极地，虽然热能有所增加，但降雪也增加了，其综合的结果是有利于保持或减缓冰盖损失，而冰盖的存在则使海洋新输入热能的增温效果大打折扣。这就是说，海洋的作用是减缓全球变暖。全球变暖加剧海洋输送，但加剧的输送又反过来不利于继续变暖，这是一种负反馈机制。
其次，海洋作用的另一个效果是垂向环流对气候变暖的响应。海洋平均水深约4000米，暖水在表层流向高纬和极地区域，并在流动中逐渐降温，最终下沉，从底层返回低纬地区。由于海水中含有3.5%的盐分，因此海水最高密度所对应的温度是4℃，在极地附近，这个温度高于周边水温，但由于密度最大，仍然发生沉降，这就是垂向环流产生的原因。海洋向极地的持续输送依赖于垂向环流。然而，极地区域的变暖可导致冰盖融化加剧，而融化的淡水是低密度的，如果大量覆盖在海洋表层，则会占据原本环流可以到达的地方;海水不能到达周边水体密度较低的地方，那么下沉就不会发生，从而阻断垂向环流[8]，极地区域重回热能入不敷出的状态，变暖趋势得到遏制。过去，此类现象是基于理论分析推论的[1,7]，但近年来随着观测技术和模拟水平的提高，重新变为研究热点[9]。
在“全球变冷”状态下，海洋的影响又会如何?一方面，此时海洋输运仍然发生，只是强度可能稍有减弱，所提供的热能难以逆转极地区域的热能亏损;另一方面，海水所携带的水汽转化为冰雪，即便在夏季也不会全部融化，冰雪的体积因此逐年增大。冰雪层逐渐变厚的后果是在重力作用下向外扩展，覆盖面积越来越大，整个地球也就越来越冷，冰期就此来临。可以说，海洋输来的水汽对全球变冷起了推波助澜的作用。
不过，地球的神奇之处是，负反馈机制无处不在，冰盖的增厚也是如此。如前所述，冰盖在重力的作用下向纬度较低的方向运动，最后覆盖了整个大陆的大部分地区，地球进入冰期。在1.8万年之前，北美大陆就曾经被冰雪所覆盖，东亚地区的冰盖最大时有多大，研究者们还有不同看法，但可以肯定的是覆盖的范围不小。那么，冰盖能够达到的最大规模究竟是多少?冰盖的厚度越大，扩张速度越快，当厚度不再增加时，扩张范围达到最大。什么时候冰盖厚度不再增加?冰雪补充量与冰盖边缘冰块融化脱落到大海的冰量相等的时候。物理学家在100多年前就已经研究过这个问题了，现在的观测和计算更加精细;研究表明，陆地上冰盖的最大厚度能达到3500米左右。因此，冰盖范围要受到这一厚度的制约。当间冰期到来的时候，冰盖融化，留下的冰碛物指示了曾经达到的范围。
海洋生物固碳作用
地球大气层是天气和气候的直接载体，气候变化与大气成分变化有关，目前科学家争论的问题之一是，人类通过燃烧煤、石油、天然气，把大量CO2排到大气之中，这是否是气候变暖的主要原因?换言之，除了上文提到的三个因素之外，还有另外一条独立的通路可能导向气候变化，这个想法也可追溯到19世纪后期[10]。当然，两条通路同时存在，也是可能的。
CO2是一种高效率的温室气体，能将太阳能截留在大气层中，自20世纪后半叶以来大气中CO2浓度持续上升。与此同时，全球气候呈现变暖趋势。这使得研究者猜测两者之间的关联性。尽管CO2浓度上升所引发的效应还难以准确定量计算，但不少人相信，相关性很可能意味着因果关系，因而将20世纪以来的气候变暖归因于人类排放过多的CO2。不同意这个观点的学者则认为，气候变化主要是自然过程，CO2只是其中一个插曲，不能起决定性的作用。谁对谁错，尚未有定论，但对国际政治已经产生了很大影响;应对气候变化已经成为热点话题，而应对的措施与气候变化的原因有关，原因不同，措施也不同[11]。在争论尚未尘埃落定的情况下，为了保险起见，主流的看法是要降低CO2排放，要在不远的将来，达到化石燃料使用的最大值，进而使大气CO2浓度不再提高。要达到此目标，不能忽视海洋的调节作用。海洋作用的结果是减缓大气CO2上升，其途径是通过生物活动和沉积过程。
CO2能穿越海水表面而进入水体内部，故海水中有一定量的溶解CO2，可供植物生长。海洋藻类植物通过光合作用，产生碳水化合物。在此过程中，所需营养物质碳氮磷的比例大致为106:16:1，也就是说，生物生长需要106份碳、16份氮，再加1份磷。从大气进入海洋的CO2就这样被海洋生物生长所消耗了。海洋植物除了部分被动物所食之外，在死亡之后，有许多植物颗粒在水层中被微生物所分解，还有一部分有机质随着沉积物一起堆积在海底。事实上，我们现在所用的化石燃料，就是堆积在沉积物里的有机质变成的。石油、天然气和煤炭被使用后变成CO2，CO2被海洋生物使用，最后重回沉积物，这就完成了一个大循环[11]。如果大气CO2增加，则进入海洋的溶解CO2也相应增加，生物活动因此更加旺盛，最后回归海底的有机质也增加。以此种方式，海洋可以调节大气CO2浓度。
海洋生物的作用还不止于此。海水中钙离子与CO2结合成碳酸钙，许多动植物以合成碳酸钙的方式形成自己身体的一部分，如珊瑚用它构建自己的骨骼，贝类用它长成介壳，大部分有孔虫的外壳、许多藻类的骨架部分也是碳酸钙。作为无机物颗粒的碳酸钙堆积到海底，像生物有机物一样脱离大气CO2系统。地质历史上，进入沉积物的有机碳有5000万BMT(1 BMT=10亿吨)，无机碳有1000万BMT，比当前大气中的碳总量748 BMT高出5个数量级[12]。
所以，海洋物理机制调节极地冰雪，而海洋生物机制调节大气CO2浓度。如果CO2成为气候变化的主导作用，那么海洋生物机制就将带来一个挑战性的问题：地质历史上，大气CO2浓度较高的时期，气候也应比较温暖，那么海洋生物生长旺盛也应与此相关;然后，旺盛的海洋生物活动可能消耗掉全部大气CO2，使得生物活动难以为继，这可能导致生物灭绝;大气CO2缺失导致温室效应丧失，造成气候变冷。在温室气体效应假设之下，人们试图脱离天文周期和海陆分布因素来解释地球历史上的气候变化。据研究[12]，目前大气CO2总量为748 BMT，每年火山等CO2供给为0.048—0.18 BMT，若每年净收支为0.001 BMT，则大气CO2浓度可在百万年内发生很大变化，这表明温室气体引发气候变化的可能性。需注意的是，气候变化和生物大灭绝孰为因、孰为果，其解释需要与CO2收支因素相匹配。例如，说生物活动耗尽大气CO2，导致气候变冷，然后造成生物死亡，这一解释就有些可疑，因为不等到大气CO2耗尽，生态系统可能早就崩溃了，此时气候变冷的条件就成为非必要的。
大气CO2收支造成的时间变化 (a)大气补充量>沉积作用移除量，大气CO2总量上升；(b)大气补充量<沉积作用移除量，大气CO2总量下降。（假设每年大气CO2净收支为±0.001BMT）
长期气候变化的海洋记录
